Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Можно показать, что для фермента каталитически выгодно быть комплементарным переходному состоянию субстрата ', а не исходному субстрату. В этом случае увеличение энергии связывания по мере приближения структуры субстрата к структуре переходного состояния уменьшает энергию активации стадии химического превращения.
И наоборот, если фермент комплементарен исходному субстрату, уменьшение энергии связывания при образовании переходного состояния будет увеличивать энергию активации химической стадии. В следующем разделе мы обсудим вопрос о комплементар.
ности фермента переходному состоянию субстрата, используя подразделение энергий активации на две составляющие, одна из которых отвечает стадии химического превращения', а другая равна изменению энергии связывания в ходе реакции. 3. Комплементарность фермента переходному состоянию субстрата означает, что Й„гам имеет максимальное значение Идея комплементарности при фермент-субстратном взаимодействии принадлежит Фишеру, воплотившему ее в своей знаменитой модели «замка и ключа» ]3]. В современной терминологии это означает комплементарность между ферментом и субстратом.
В настоящее время отдают предпочтение концепции комплементарности фермента переходному состоянию, введенной Холдейном ]1] и развитой Полингом [4]. а. Комплементарность фермента исходному субстрату Допустим, что максимальная внутренняя свободная энергия связывания равна гз1гь.
В рассматриваемом случае она реализуется в исходном фермент-субстратном комплексе, обеспечивая прочное связывание; дм — константа днссоцнации фермент-субстратиого комплекса — будет мала. Образование переходного состояния, сопровождающееся изменением геометрии субстрата и ухудшением соответствия, приведет к уменьшению энергии связывания и, следовательно, к уменьшению й„г. Если увели- ' Речь идет о дополнительных нековалентных взаимодействиях между реагентамн в переходном состояния реакции (см., например, И. В. Березин, К. Мартннек «Основы фнзнческой химин ферментатнвного катализа», М., Высшая школа, 1977, стр. 42 — 47, 72). — Прим.
ред. ГЛАВА Ю чение свободной энергии, вызванное ухудшением структурного соответствия между ферментом и субстратом, обозначить через Лбн, а свободную энергию активации для образования и разрыва химических связей на стадии, определяемой константой й„г, через Лба, то наблюдаемая свободная энергия активации Ф Рнс. 10.2. Измененне энергии Гиббса для реакция, схематнческн изображенная а подпнсн к рнс.
!0.1. Пунктнрная лнння — фермент структурно компле. ментарен субстрату, сплошная — переходному состояниях (Ьбз — отрицатель- ная нелнчнна, ЬОь н АОе положительны.) для стадии химического превращения субстрата с константой скорости й„г будет равна Ло* = бПо*+ Лбн (10.5) и Лбз = Лбь. (10.6) Энергия активации Гиббса для процесса (10.2) есть ЛОФ+ Лоз, т. е. Ь6~ = Лбот + Лбя + Лбь. (10.7) б.
Комплементарность фермента переходному состоянию субстрата В этом случае полная энергия связывания Лбь реализуется в переходном состоянии. Исходному фермент-субстратному комплексу соответствует положительный член Ьгтн, который увеличивает Км. а прирост энергии связывания по мере приближе- 297 теОРии ФеРментАтивиого ЕАЕАлизА ния к переходному состоянию увеличивает й„ь Таким абра* зом, АОФ = ДО~Ф Аб~ (10,8) и Ьбз = Лбь+ Лбе. (10.9) И опять энергия активации Гиббса для перехода, характеризующегося константой й, ~/Км, определяется выражением ЛО1 = ЛО» + Лбз, т, е. ЬО~ = Лб«Ф + Лбь (10.10) и Лбе из выражения исключается. Сравнение уравнений (!0.7) и (10.10) показывает, что, когда фермент комплементарен переходному состоянию субстрата, а не самому субстрату, й ь/Км возрастает в ехр(ЛОКАУТ) раз.
Следует отметить, что й„ь/Км не зависит от взаимодействий в исходном фермент-субстратном комплексе, поскольку член Лбе не входит в соответствующие уравнения. 4. Экспериментальные данные об использовании энергии связывания в катализе и комплементарности фермента переходному состоянию субстрата а. Энергия связывания Наиболее четкие данные об использовании энергии связывания в катализе получены при кинетических исследованиях сериновых протеаз. Напомним (гл. 1), что эти ферменты имеют ряд «подцентров» для связывания аминокислотных остатков полипептидных субстратов.
Из табл. 10.1 видно, что, когда ббльшие по размеру группы занимают в химотрипсине центр связывания уходящей группы, их энергия связывания используется для увеличения йьм/Км. К увеличению й„ь/Км приводит и удлинение полипептидной цепи субстратов эластазы. Интересно отметить, что в приведенных примерах энергия связывания добавочных групп не понижает Км, т.
е. используется не для связывания субстрата, а для увеличения й„ь Аналогичная ситуация наблюдается и для пепсина. Из табл. 10.1 видно, что Км для гидролиза широкого круга субстратов равна 0,1 мМ. И опять добавочная энергия связывания групп ббльших по размеру субстратов используется для увеличения й„ь а не для уменьшения Км. Таким образом, чем больше по размерам субстрат, тем выше значение й, ~/Км. Очень интересные данные получены при исследовании катализируемого химотрипсином гидролиза синтетических эфиров ГЛАВА !О Таблица 10.! Ввзимопреврзп(ение ввергни звтпвацвв в связывания зон(!Км М-1 с-1 "сн! км, мм Фермент н субстрат а.
Химотрипсимо) АсТуг-ХНт АсТуг-61уХНв АсТуг-А1вХНв АсРгоТуг-61 уХНв АсРЬе-ХН2 АсРЬе-6)уХНв АсРЬе-А)зХНв АсРгоРЬе-61уХН2 б. Эластава ! АсА1еРгоА1з-ХНт АсРгоА!пРгоА!п-ХН, Ас61уРгоА1п-ХН3 АсРго61уРгоА!з-ХН2 в. Пепсинв) !раси(еплеппе РЬе61у 2РЬе61у 2А!н61у 2А!пА1п 261уА!з 261у!1е 261у1.еп РЬе61у61у 2РЬе6!76)у Мпвг) Мпв6! у") МП361 761 у") МпвА! в А! в") 0,17 0,64 0,06 0,14 2,8 0,76 32 23 17 32 31 15 25 15 5 28 440 140 2 1О 114 51 0,09 8,5 0,02 2,8 4,2 3,9 33 43 21 2200 0,5 64 РЬе — РЬе 0,5 25 145 282 409 13 134 6 127 0,002 0,13 16 112 в АсРЬеРЬеОР4Р) связи 1,7 ° 103 2,2 ° 1(Р 5 8 ° !Ов 7. 104 3,7 ° 104 1,8 ° 1Ов 4,2 ° 104 1 ° 104 9,8 ° 104 20 3,7 ° 1Ов 2,3 ° 103 2 1Ов 0,3 0,1 1 0,25 0,04 0,11 0,07 0,03 0,6 0,13 0,1 0,03 0,07 0,06 М Ввпмнпп 97. К., В(теотего Б,А., Ппиег Н., РЕВБ (оцв., В.
737 ()970): Енг. Л В(осьозп., 39, 33! ((973); 23 'С, РН 7,9. б) тьомрвоп и, с., в(оп! е. и., в(осьоты(гу, и, и пмзь зг 'с, рн 9. П) 5новаоч О. Р.. Ргп(оп Л 5.. В(освопг(в(гу, 9, 44бз ((970). (ОР4Р 3 (4 пнрнлнл) пронин-! онсн)! 37 'С, РН 3.3. ") Бнсвбеч О. Р.. Ргпып А Б., Ргос. пв(п. Аснб.
Бс!. П. 5. А., 72. 3424 ((973) (Мпв монсен): Й 'С. РН 2,4. !табл. 10.2). Увеличение размера гидрофобной боковой цепи, связывающейся с гидрофобным центром фермента, приводит к возрастанию йсв(IКм вплоть до 1Ое. Увеличение энергии связывания в случае больших по размеру субстратов расходуется на уменьшение константы диссоциации фермент-субстратного ТЕОРИИ ФЕРМЕИТАТИВНОГО КАТАЛИЗА Таблица 10,2 Кинетические параметры тидролиаа химотрнпснном метиловых ефнров тт'-апетнламнноинслотнс КЗ 22 22 (Е+ ЙСО2Ме мам В.КСО2Ме — м йСО- — м Е+ ДСОРН) нт а-хнметрннснн, та 'с, Рн 7,8 <данные табл.
у.аь б~ Этнненма нфнР комплекса и увеличение констант скорости ацилирования и деацилирования. В равд. Б данной главы будет показано, каким образом расходование энергии связывания на увеличение й„ь а не на уменьшение Км приводит к повышению скорости реакции.
б. Комплементарность фермента переходному состоянию субстрата Прямое указание на комплементарность фермента переходному состоянию субстрата было получено при рентгеноструктурном анализе сериновых протеаз и лизоцима 1разд. В.4 данной главы и гл. 1), а также при исследовании связывания аналогов переходного состояния. Этот подход был предложен Полингом в 40-х годах, но оценен по достоинству лишь недавно 14). 5.
Аналоги переходного состояния субстрата: зонды для исследования комплементарности 1б, 61 Зная механизм органической реакции, можно получить представление о структуре переходного состояния ферментативной реакции, синтезировать соединения, близкие к переходному состоянию субстрата, и сравнить присоединение к ферменту этих соединений с присоединением исходного субстрата.
а. Лизоцим и глюкозидаза Лизоцим катализирует гидролиз полисахаридного компонента клеточной стенки растений и синтетических полимеров, ГЛАВА !О структурные единицы которых, г)-ацетилглюкозамин (1)АС), соединены друг с другом и (! — 4)-связями (см. гл. 1). Исходя из результатов исследования неферментативных реакций, можно ожидать, что в ходе гидролиза образуется карбоний-ион, в котором глюкопиранозное кольцо, имеющее форму кресла, изменяет свою конформацию, прнимая форму софы (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
